玉米在干旱胁迫下的生化和光合反应评价
党卫军Abu-Muriefah1穆罕默德·易卜拉欣2、3*和Gehan A. Elgaaly4
1沙特阿拉伯利雅得努拉王子大学理学院生物系
2沙特国王大学理学院植物与微生物系，沙特阿拉伯利雅得11451
3.亚历山大大学理学院植物与微生物系，亚历山大，邮政信箱21511埃及
4沙特国王大学理学院植物与微生物系，女学部，沙特阿拉伯利雅得，11495
http://dx.doi.org/10.12944/CWE.9.1.13
分析了干旱胁迫下玉米抗氧化防御系统、色素含量、光合活性及部分生化变化。玉米l .简历。以确定植物对干旱胁迫的反应，并阐明各种抗氧化应激保护机制的作用。结果表明，干旱胁迫导致了碳水化合物和蛋白质含量的变化。总可溶性糖在缺水植物叶片中积累，而淀粉和蛋白质含量与对照相比下降到少量。此外，植物具有发达的防御活性氧(ROS)的系统，既限制了活性氧的形成，也建立了去除活性氧的机制。在细胞内，研究了一系列抗氧化酶如超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)参与清除ROS的活性。在脱水过程中，SOD、APX和CAT的活性在4天内显著增加，然后下降，但仍保持高于对照水平，这表明防御系统有效地保护了植物细胞免受氧化。此外，脂质过氧化和丙二醛(MDA)的积累也持续增加。在压力时期，过氧化氢的水平也会升高。在本研究中，我们报道了玉米植株对干旱胁迫的负反应，特别是对长期干旱效应的抗氧化酶活性的负反应。
干旱;氧化应激;活性氧(ROS);抗氧化剂
复制下面引用这篇文章:
阿布-穆里法S. S.，易卜拉欣。王晓明，王晓明，王晓明，等。干旱胁迫对玉米生理生化及光合特性的影响。当代世界环境2014;9(1)DOI:http://dx.doi.org/10.12944/CWE.9.1.13
复制以下内容引用此URL:
阿布-穆里法S. S.，易卜拉欣。王晓明，王晓明，王晓明，等。干旱胁迫对玉米生理生化及光合特性的影响。生态学报，2014;9(1)。可以从://www.a-i-l-s-a.com/?p=5752
介绍
干旱胁迫被认为是造成渗透胁迫、限制植物生长发育的重要环境因子之一。不同的路径也会受到不同的影响。在整个植物水平上，干旱胁迫的影响通常被认为是光合作用和生长的减少(Asada, 1997)，并与碳和氮代谢的改变有关。此外，施加生物和非生物应激条件会导致活性氧浓度过高，导致细胞水平的氧化损伤。因此，干旱胁迫的一个后果是光合作用的限制，通常伴随着叶绿体中活性氧(ROS)的形成(Smirnoff,1993)，如超氧自由基H2O2和羟基自由基(Foyeret al.， 1994)。过氧化氢在叶绿体中毒性特别大，因为即使在低浓度下，它也会抑制卡尔文循环酶，从而减少光合作用的二氧化碳同化et al。, 1995)。
植物具有复杂而高效的抗氧化防御系统，该系统由保护性的非酶保护机制和酶保护机制组成，其作用是阻断某些细胞器中不受控制的氧化级联反应(Noctorand Foyer, 1998)，并有助于维持抗氧化剂处于还原功能状态(Schwanz)et al。， 1996)，有效地清除AOS和防止自由基的破坏性影响(Shalata和Tal 1998)。
酶的保护部分是由超氧化物歧化酶(SOD, EC 1.15.1.1)完成的，它可以消除超氧化物自由基O2 -过氧化氢酶(CAT, EC 1.11.1.6)和抗坏血酸过氧化物酶(APX, EC 1.11.1.11)降解H2O2影响脂质过氧化水平(数据)等.， 2000和Mittler, 2002)，通常被认为是氧化应激的一个指标，因为它是由活性氧(ROS)诱导的。Our study aimed to investigate the effect of drought stress by withholding water on some biochemical and physiological parameters in maize plant (玉米L.Giza 21)，进一步阐明了干旱胁迫下玉米植株抗氧化酶的活性。
材料与方法
植物材料和生长条件
玉米种子(玉米l .简历。Giza 21)在0.1% HgCl中浸泡2分钟表面灭菌2，然后用五次无菌蒸馏水清洗它们。种子在连续曝气蒸馏水中黑暗浸泡24小时。种子播种在直径15厘米×高20厘米的塑料盆中，盆内填满水洗过的纯石英砂。所有花盆置于相对湿度70-80%的生长室内，16/8h昼夜循环，温度控制在28/26oC.光强为420μmol m2年代1。每盆先用250毫升蒸馏水灌溉，然后偶尔用一定量的水灌溉，以保持土壤含水量恒定。7天后，每隔一天用一半浓度的霍格兰溶液给所有植株浇水。播种15天后，一半的植株受到干旱胁迫，8天不浇水，并定期取样进行分析。收获后，整株植物或解剖器官被吸干，仔细称重以测定新鲜重量，然后在70度的热风烤箱中干燥oC直到恒重得到干重。为了进行生化分析，第二叶被收获并立即用于提取或储存在-20°C直到分析。每个实验重复2次，每次共20株。
碳水化合物成分和蛋白质含量的测定
采用醇提法。对还原糖进行了分析等(1992)，在5毫升糖提取物中加入3毫升改良的纳尔逊试剂。在沸腾管中充分混合，浸泡在剧烈沸腾的水浴中15分钟，然后迅速冷却管。每管加入砷钼酸盐试剂3ml，轻轻摇动直至起泡停止。将有色溶液稀释至已知体积，然后使用分光光度计(JENWAY, 6305, UK)在700 nm处测量。根据Breadford(1976)描述的方法测定蛋白质组分，在0.1 ml的提取物中加入5 ml的蛋白质试剂*，并通过涡流混合内容物。在595 nm处测量吸光度1小时。用牛血清白蛋白(Fluka，分析级)根据先前构建的标准曲线计算蛋白质浓度。
色素分析
光合色素叶绿素a, b (Chl。的背影。b)和类胡萝卜素(Carot.)采用Inskeep和Bloom(1985)描述的N, N-二甲基甲酰胺(DMF)法测定。取已知重量的已解剖植物叶片(50 mg)，用10 ml DMF试剂孵育，4ºC暗处保存24小时。用分光光度计(JENWAY, 6305, UK)在647、665和470 nm三个波长处测定其吸光度。
的背影。A = 12.70一个665- 2.79一个647
的背影。B = 20.70一个647- 4.62一个665类胡萝卜素= 4.2一个453- (0.0264 Chl。a + 0.426 Chl。b)
* 100 mg考马斯亮蓝G250溶于95%乙醇中。然后加入85% (w/v)磷酸100 ml。所得溶液被稀释至最终体积为1升并过滤
的决心脂质过氧化作用
采用Hodgson和Raison(1991)的方法测定丙二醛(MDA)含量，作为叶组织脂质过氧化程度的指标。用155 mM的摩尔消光系数计算MDA浓度1厘米1。
过氧化氢的测定
H的水平2O2由Jana和Choudhuri(1982)描述的比色法测量。H2O2用消光系数0.28µmol计算水平1厘米1。
抗氧化酶的提取及活性测定
新鲜玉米叶片(≈0.5g新鲜材料)在液氮中研磨成细粉。将冷冻的粉末转移到10毫升含有100 mM KH的冷藏萃取缓冲液中2阿宝4/ K2HPO4， pH 7.8, 5 mM抗坏血酸，400mg不溶性聚乙烯聚吡咯烷酮(PVP)Triton X-100 (Schwanz等.，1996)，混合1分钟，在冰上孵育30分钟。根据Asada(1997)，为了保持APX酶处于活性状态，APX的洗脱缓冲液中额外含有1 mM的抗坏血酸。纯化后的提取物立即用于超氧化物歧化酶、SOD的测定;过氧化氢酶，CAT和抗坏血酸过氧化物酶，APX活性。
酶测定
25时进行酶测定oC.所有用于分析和酶促研究的溶液都用双离子水制备。
SOD (EC 1.15.1.1)活性测定参照Stewart and Bewely(1980)的方法。SOD活性的一个单位是在没有酶的情况下使反应初始速率抑制50%的酶活性的量。
APX (EC 1.11.1.11)活性根据Asada(1997)测定。一个单位APX为室温下每分钟氧化1mmol抗坏血酸的酶量。
通过监测H的分解，测定CAT (EC 1.11.1.6)活性2O2分光光度在240 nm (Luck 1965)。一个单位的酶活性等于1mmol的H2O2每分钟分解。
结果
干旱胁迫对玉米碳水化合物和蛋白质含量的影响
对干旱胁迫下玉米叶片碳水化合物组分变化的研究表明，这些组分具有不同的变化规律。例如，在干旱胁迫下，总碳水化合物含量从处理开始时的218.2 mg g下降到166 mg g1实验结束时的DW(图1)。水分充足的植株对应值分别为218.2和210 mg g1DW分别。而水分胁迫植物叶片中总可溶性糖含量持续较高，达140.5 mg g1与对照组的89.6 mg相比，实验结束时的DW(图1)。非还原性糖总体上仍明显高于还原性糖，但在实验结束时，非还原性糖的积累量明显高于对照组(图1)。
水分胁迫的植株叶片淀粉含量显著低于胁迫胁迫的植株，为26.9 mg g1试验结束时DW为121.1mg g1井水植物的DW(图1)。
此外，图2的结果清楚地表明，干旱胁迫对玉米植株叶片中总可溶性蛋白含量有显著影响。因此，当叶片受到水分胁迫时，蛋白质含量与对照相比迅速下降(图2)。暴露时间结束时，水分胁迫植物叶片中可溶性蛋白总量为76.8 mg g1与对照组的206.5毫克相比。
叶绿素 年代 和类胡萝卜素含量 。
在玉米叶片中，干旱胁迫导致包括叶绿素在内的色素含量普遍下降一个b和-胡萝卜素。这种变化模式并不明显在对照组中，所有色素在统计上没有变化(数据未显示)。叶绿素含量一个在干旱胁迫下，特别是在试验结束时，玉米叶片中b和-胡萝卜素含量分别比对照降低了约45%、28%和15.2%。因此，Chla / b干旱胁迫下，比例显著降低(表1)。
表1:干旱胁迫8 d下玉米成虫叶片叶绿素a、b、总叶绿素含量、总类胡萝卜素和叶绿素a/b比值的变化。数值表示为相对于对照增加或减少的百分比。
过氧化氢含量(H2O2）
过氧化氢对植物细胞内的各种生化过程有负面影响。根据我们的结果，H2O2在实验期间，对照植株的含量变化不显著(图3a)。相反，干旱胁迫导致了H代的显著增加2O2在干旱时期。处理8 d后，H2O2达到最大值，与对照相比，达46%。尽管积累了H2O2 在水分胁迫的暴露时间内，不会立即导致细胞死亡。
质膜脂质过氧化
水胁迫引起的损伤之一是膜损伤。这是氧化爆发导致脂质过氧化的结果。过氧化反应可以通过测定丙二醛(MDA)的量来测定。如图3B所示，MDA产量随着叶片老化而显著增加，水分胁迫也增强了MDA产量。为方便起见，在暴露期结束时，对照叶片仅产生7.99 μmol MDA g1弗兰克-威廉姆斯。而干旱胁迫使MDA显著升高，达到15.9 μmol MDA g1弗兰克-威廉姆斯。
干旱胁迫对抗氧化酶的影响
研究了干旱胁迫对玉米叶片中几种重要抗氧化酶如SOD、CAT和APX活性的影响，结果如图4所示。结果清楚地表明，干旱胁迫导致SOD、CAT和APX的活性(图4a、B和C)在处理后4天内显著提高，几乎达到最高值，分别为对照的123%、21%和67%，而初始活性维持在对照水平。
但在干旱胁迫处理4 d后，这些抗氧化酶的活性有降低的趋势。对照组的这些酶活性在试验期间均无明显变化。而在整个胁迫处理过程中，SOD、CAT和APX活性均保持正响应。
讨论
碳水化合物含量的显著增加似乎与渗透调节有关。干旱胁迫2天后叶片总可溶性糖浓度较对照植株提高13%。随着胁迫的增加，总可溶性糖的增加更加明显(图1)。虽然非还原性可溶性糖浓度仍然较高，但还原性糖浓度有所下降。Wardlaw和Willenbrink(1994)报道，叶片还原糖的变化与转化酶活性的变化并行，蔗糖合酶活性在干旱胁迫严重的叶片中不断增加，这与tabaeizadeh(1998)的发现结果一致，该结果描述了酶活性的增加与干旱胁迫以及非还原糖积累之间的相关性。
当不浇水时，玉米的第一个应激迹象是糖代谢的显著变化。根据我们的研究结果，观察到的可溶性糖浓度的变化可能是干旱胁迫下生长比光合作用更受抑制的结果，以及干旱胁迫下野生物种固定碳向蔗糖的分配增加的结果等, 1992)。这种可溶性糖的积累可能与渗透调节和干燥耐受性有关等.， 1998)有助于植物的生存。
玉米糖代谢的巨大变化先于可溶性叶蛋白的急剧下降。这些蛋白质通常与应激反应有关，如冷冻、渗透和盐胁迫以及病原体攻击等， 1994，云等.， 1996, Tabaeizadeh 1998和Trudel等, 1998)。因此，玉米的水分响应似乎具有与其他逆境条件相同的特征，这与其他物种的建议一致(Tabaeizadeh 1998)。
叶绿素、类胡萝卜素和光合速率
干旱胁迫诱导了光合机构和叶绿体膜透性的变化。这一事实可能是叶绿素降解和/或合成不足以及类囊体膜完整性降低的结果(Tabaeizadeh 1998)。在目前的研究中，干旱胁迫下叶绿素含量的下降可能是由于叶绿体基质薄片的早期结构损失，其中包含光系统I和大部分叶绿素a， (Loggini et al.1999)。光抑制和光破坏色素可能有助于这种变化et al。, 1993)。此外，干旱胁迫降低了光合机构的保存能力。然而，在我们的研究中发现，干旱胁迫的影响可能遵循与衰老过程相似的过程，严重影响了这些参数，因此可以预期干旱胁迫在叶绿体水平上的剧烈影响(Tabaeizadeh 1998)。此外，这种抑制作用可能与叶绿素降解速率的增加有关(Garty等.， 1992)通过干旱胁迫对叶绿素结合蛋白的影响，导致叶绿素的破坏，这可能有助于这种变化(Abdel Nasser 2000)。此外，叶绿素含量的降低也可能是脂质过氧化的植物毒性后果，并与光化学效率的降低有关。此外，叶绿素的比例a / b对干旱胁迫处理更为敏感，表明Chl一个更容易受到水分胁迫，降解速度比chlb。这可以用叶绿素部分减少的事实来解释一个可以通过转化为叶绿素来解释吗b由二环上的甲基氧化成醛(芳)等, 1998)。在这方面，西斯卡托等.(1997)报告说，减少的Chla / b干旱胁迫对光系统II (LHC II)光收获复合体的直接影响可能是导致玉米植株中叶绿素含量降低的主要原因a / b在衰老过程中观察到的比例(迪恩et al。， 1993)，这表明干旱胁迫处理导致叶绿素合成和积累速率降低一个。
质膜脂质过氧化与H2O2内容。
脂质过氧化已被证明是衰老期间膜退化和解体的原因之一，并与大多数植物的膜紊乱有关(Marengoniet al。a和b).干旱胁迫伴随着丙二醛(MDA)含量的增加。indicatinglipid过氧化反应和氧化应激。与其他环境胁迫一样，干旱胁迫可以产生一种强大的氧化物质，导致脂质过氧化，这表明类囊体膜中的脂肪酸是干旱胁迫损伤的目标。这可以通过激活有毒的O来实现2然后攻击脂肪酸链的分子导致膜损伤增加，玉米叶片中MDA的形成相应增加。因此，干旱胁迫效应可能反映了质膜结构的一些变化，如膜的物理性质的变化，而膜的物理性质的变化反映了代谢过程改变导致的化学成分的变化(Navari-Izzo)等, 1996)。此外，在本研究中，存在H的积累2O2(图4A)，它在暴露于干旱胁迫的植物中充当氧化还原信号分子(Mehdy 1994)。有人认为H2O2作为第二信使的功能，植物细胞暴露于环境压力，如热(Dat)et al。，1998)和病原体(Levineet al .,1994)。尽管如此,H2O2通过容易氧化其巯基来抑制叶绿体含巯基的酶，它诱导一系列涉及过氧化物酶激活的精心安排的反应。因此，植物细胞保持H2O2低或清除有效。
抗氧化防御机制。
在各种非生物胁迫下产生的活性氧对脂质、蛋白质和色素极具破坏性，除非它们被SOD、CAT和APX等抗氧化酶迅速清除(Asada et al.， 1998)，以维持形成的任何活性氧的浓度在相对较低的水平。Shalata和Tal(1998)认为，植物对环境胁迫的抗性可能取决于对ROS产生的抑制或对活性氧的增强抗氧化剂的水平。此外，某些基因型对环境胁迫的较高耐受性与较高的抗氧化酶活性有关。观察到的抗氧化系统的变化可能是非特异性细胞降解过程的结果。然而，另一种可能性是，干旱压力触发了植物细胞中常见的防御途径，就像其他生物或非生物环境压力一样。在fact, electronspin resonance studies have shown that water-stressed plantsdisplayed elevated concentrations and production rates of superoxideradicals (Price and Hendry 1991).
在玉米植株中，已经出现了氧化胁迫的症状，如在干旱胁迫下SOD总活性增加，并保留了大部分抗氧化能力，这可能解释了为什么对照植株的氧化损伤与胁迫植株相比处于初期阶段。本研究表明，干旱胁迫导致APX酶活性升高，且保持在高于对照的水平，这表明该酶活性的升高至少部分归因于底物积累。因此，APX活性的增加可能是对氧化损伤的保护(Tabaeizadeh,1998)。一个n additional function of the increase in APX activity under drought stress could be related to changesin the cell wall properties, potentially important for the stemin order to cope with the stress. Since drought stress causes the formation of reactive oxygen species.
确认
作者感谢沙特国王大学科学研究主任通过编号为RGP-VPP 297的研究小组资助这项工作。
参考文献
干旱胁迫被认为是造成渗透胁迫、限制植物生长发育的重要环境因子之一。不同的路径也会受到不同的影响。在整个植物水平上，干旱胁迫的影响通常被认为是光合作用和生长的减少(Asada, 1997)，并与碳和氮代谢的改变有关。此外，施加生物和非生物应激条件会导致活性氧浓度过高，导致细胞水平的氧化损伤。因此，干旱胁迫的一个后果是光合作用的限制，通常伴随着叶绿体中活性氧(ROS)的形成(Smirnoff,1993)，如超氧自由基H2O2和羟基自由基(Foyeret al.， 1994)。过氧化氢在叶绿体中毒性特别大，因为即使在低浓度下，它也会抑制卡尔文循环酶，从而减少光合作用的二氧化碳同化et al。, 1995)。
植物具有复杂而高效的抗氧化防御系统，该系统由保护性的非酶保护机制和酶保护机制组成，其作用是阻断某些细胞器中不受控制的氧化级联反应(Noctorand Foyer, 1998)，并有助于维持抗氧化剂处于还原功能状态(Schwanz)et al。， 1996)，有效地清除AOS和防止自由基的破坏性影响(Shalata和Tal 1998)。
酶的保护部分是由超氧化物歧化酶(SOD, EC 1.15.1.1)完成的，它可以消除超氧化物自由基O2 -过氧化氢酶(CAT, EC 1.11.1.6)和抗坏血酸过氧化物酶(APX, EC 1.11.1.11)降解H2O2影响脂质过氧化水平(数据)等.， 2000和Mittler, 2002)，通常被认为是氧化应激的一个指标，因为它是由活性氧(ROS)诱导的。Our study aimed to investigate the effect of drought stress by withholding water on some biochemical and physiological parameters in maize plant (玉米L.Giza 21)，进一步阐明了干旱胁迫下玉米植株抗氧化酶的活性。
材料与方法
植物材料和生长条件
玉米种子(玉米l .简历。Giza 21)在0.1% HgCl中浸泡2分钟表面灭菌2，然后用五次无菌蒸馏水清洗它们。种子在连续曝气蒸馏水中黑暗浸泡24小时。种子播种在直径15厘米×高20厘米的塑料盆中，盆内填满水洗过的纯石英砂。所有花盆置于相对湿度70-80%的生长室内，16/8h昼夜循环，温度控制在28/26oC.光强为420μmol m2年代1。每盆先用250毫升蒸馏水灌溉，然后偶尔用一定量的水灌溉，以保持土壤含水量恒定。7天后，每隔一天用一半浓度的霍格兰溶液给所有植株浇水。播种15天后，一半的植株受到干旱胁迫，8天不浇水，并定期取样进行分析。收获后，整株植物或解剖器官被吸干，仔细称重以测定新鲜重量，然后在70度的热风烤箱中干燥oC直到恒重得到干重。为了进行生化分析，第二叶被收获并立即用于提取或储存在-20°C直到分析。每个实验重复2次，每次共20株。
碳水化合物成分和蛋白质含量的测定
采用醇提法。对还原糖进行了分析等(1992)，在5毫升糖提取物中加入3毫升改良的纳尔逊试剂。在沸腾管中充分混合，浸泡在剧烈沸腾的水浴中15分钟，然后迅速冷却管。每管加入砷钼酸盐试剂3ml，轻轻摇动直至起泡停止。将有色溶液稀释至已知体积，然后使用分光光度计(JENWAY, 6305, UK)在700 nm处测量。根据Breadford(1976)描述的方法测定蛋白质组分，在0.1 ml的提取物中加入5 ml的蛋白质试剂*，并通过涡流混合内容物。在595 nm处测量吸光度1小时。用牛血清白蛋白(Fluka，分析级)根据先前构建的标准曲线计算蛋白质浓度。
色素分析
光合色素叶绿素a, b (Chl。的背影。b)和类胡萝卜素(Carot.)采用Inskeep和Bloom(1985)描述的N, N-二甲基甲酰胺(DMF)法测定。取已知重量的已解剖植物叶片(50 mg)，用10 ml DMF试剂孵育，4ºC暗处保存24小时。用分光光度计(JENWAY, 6305, UK)在647、665和470 nm三个波长处测定其吸光度。
的背影。A = 12.70一个665- 2.79一个647
的背影。B = 20.70一个647- 4.62一个665类胡萝卜素= 4.2一个453- (0.0264 Chl。a + 0.426 Chl。b)
* 100 mg考马斯亮蓝G250溶于95%乙醇中。然后加入85% (w/v)磷酸100 ml。所得溶液被稀释至最终体积为1升并过滤
的决心脂质过氧化作用
采用Hodgson和Raison(1991)的方法测定丙二醛(MDA)含量，作为叶组织脂质过氧化程度的指标。用155 mM的摩尔消光系数计算MDA浓度1厘米1。
过氧化氢的测定
H的水平2O2由Jana和Choudhuri(1982)描述的比色法测量。H2O2用消光系数0.28µmol计算水平1厘米1。
抗氧化酶的提取及活性测定
新鲜玉米叶片(≈0.5g新鲜材料)在液氮中研磨成细粉。将冷冻的粉末转移到10毫升含有100 mM KH的冷藏萃取缓冲液中2阿宝4/ K2HPO4， pH 7.8, 5 mM抗坏血酸，400mg不溶性聚乙烯聚吡咯烷酮(PVP)Triton X-100 (Schwanz等.，1996)，混合1分钟，在冰上孵育30分钟。根据Asada(1997)，为了保持APX酶处于活性状态，APX的洗脱缓冲液中额外含有1 mM的抗坏血酸。纯化后的提取物立即用于超氧化物歧化酶、SOD的测定;过氧化氢酶，CAT和抗坏血酸过氧化物酶，APX活性。
酶测定
25时进行酶测定oC.所有用于分析和酶促研究的溶液都用双离子水制备。
SOD (EC 1.15.1.1)活性测定参照Stewart and Bewely(1980)的方法。SOD活性的一个单位是在没有酶的情况下使反应初始速率抑制50%的酶活性的量。
APX (EC 1.11.1.11)活性根据Asada(1997)测定。一个单位APX为室温下每分钟氧化1mmol抗坏血酸的酶量。
通过监测H的分解，测定CAT (EC 1.11.1.6)活性2O2分光光度在240 nm (Luck 1965)。一个单位的酶活性等于1mmol的H2O2每分钟分解。
结果
干旱胁迫对玉米碳水化合物和蛋白质含量的影响
对干旱胁迫下玉米叶片碳水化合物组分变化的研究表明，这些组分具有不同的变化规律。例如，在干旱胁迫下，总碳水化合物含量从处理开始时的218.2 mg g下降到166 mg g1实验结束时的DW(图1)。水分充足的植株对应值分别为218.2和210 mg g1DW分别。而水分胁迫植物叶片中总可溶性糖含量持续较高，达140.5 mg g1与对照组的89.6 mg相比，实验结束时的DW(图1)。非还原性糖总体上仍明显高于还原性糖，但在实验结束时，非还原性糖的积累量明显高于对照组(图1)。
水分胁迫的植株叶片淀粉含量显著低于胁迫胁迫的植株，为26.9 mg g1试验结束时DW为121.1mg g1井水植物的DW(图1)。
 |
图1: 点击此处查看图 |
此外，图2的结果清楚地表明，干旱胁迫对玉米植株叶片中总可溶性蛋白含量有显著影响。因此，当叶片受到水分胁迫时，蛋白质含量与对照相比迅速下降(图2)。暴露时间结束时，水分胁迫植物叶片中可溶性蛋白总量为76.8 mg g1与对照组的206.5毫克相比。
 |
图2:干旱胁迫对玉米叶片蛋白质的影响玉蜀黍属玉米工厂。数值为平均值±SE。(n = 5)。 点击此处查看图 |
叶绿素 年代 和类胡萝卜素含量 。
在玉米叶片中，干旱胁迫导致包括叶绿素在内的色素含量普遍下降一个b和-胡萝卜素。这种变化模式并不明显在对照组中，所有色素在统计上没有变化(数据未显示)。叶绿素含量一个在干旱胁迫下，特别是在试验结束时，玉米叶片中b和-胡萝卜素含量分别比对照降低了约45%、28%和15.2%。因此，Chla / b干旱胁迫下，比例显著降低(表1)。
表1:干旱胁迫8 d下玉米成虫叶片叶绿素a、b、总叶绿素含量、总类胡萝卜素和叶绿素a/b比值的变化。数值表示为相对于对照增加或减少的百分比。
时间(天) |
的背影。一个 |
的背影。b |
总排名。 |
的车。 |
的背影一个/b |
％ |
|||||
0 |
One hundred. |
One hundred. |
One hundred. |
One hundred. |
One hundred. |
2 |
81 |
86 |
97 |
96 |
92 |
4 |
70 |
85 |
90 |
94 |
84.5 |
8 |
55 |
72 |
79.3 |
84.8 |
72 |
过氧化氢含量(H2O2）
过氧化氢对植物细胞内的各种生化过程有负面影响。根据我们的结果，H2O2在实验期间，对照植株的含量变化不显著(图3a)。相反，干旱胁迫导致了H代的显著增加2O2在干旱时期。处理8 d后，H2O2达到最大值，与对照相比，达46%。尽管积累了H2O2 在水分胁迫的暴露时间内，不会立即导致细胞死亡。
 |
图3:干旱胁迫对过氧化氢(H2O2)和叶片中脂质过氧化(MDA)含量玉蜀黍属玉米工厂。数值为平均值±SE。(n = 5)。 点击此处查看图 |
质膜脂质过氧化
水胁迫引起的损伤之一是膜损伤。这是氧化爆发导致脂质过氧化的结果。过氧化反应可以通过测定丙二醛(MDA)的量来测定。如图3B所示，MDA产量随着叶片老化而显著增加，水分胁迫也增强了MDA产量。为方便起见，在暴露期结束时，对照叶片仅产生7.99 μmol MDA g1弗兰克-威廉姆斯。而干旱胁迫使MDA显著升高，达到15.9 μmol MDA g1弗兰克-威廉姆斯。
干旱胁迫对抗氧化酶的影响
研究了干旱胁迫对玉米叶片中几种重要抗氧化酶如SOD、CAT和APX活性的影响，结果如图4所示。结果清楚地表明，干旱胁迫导致SOD、CAT和APX的活性(图4a、B和C)在处理后4天内显著提高，几乎达到最高值，分别为对照的123%、21%和67%，而初始活性维持在对照水平。
 |
图4:干旱胁迫对红枣叶片抗氧化酶活性的影响玉蜀黍属玉米工厂。值是 意味着±SE。(n = 5)。 点击此处查看图 |
但在干旱胁迫处理4 d后，这些抗氧化酶的活性有降低的趋势。对照组的这些酶活性在试验期间均无明显变化。而在整个胁迫处理过程中，SOD、CAT和APX活性均保持正响应。
讨论
碳水化合物含量的显著增加似乎与渗透调节有关。干旱胁迫2天后叶片总可溶性糖浓度较对照植株提高13%。随着胁迫的增加，总可溶性糖的增加更加明显(图1)。虽然非还原性可溶性糖浓度仍然较高，但还原性糖浓度有所下降。Wardlaw和Willenbrink(1994)报道，叶片还原糖的变化与转化酶活性的变化并行，蔗糖合酶活性在干旱胁迫严重的叶片中不断增加，这与tabaeizadeh(1998)的发现结果一致，该结果描述了酶活性的增加与干旱胁迫以及非还原糖积累之间的相关性。
当不浇水时，玉米的第一个应激迹象是糖代谢的显著变化。根据我们的研究结果，观察到的可溶性糖浓度的变化可能是干旱胁迫下生长比光合作用更受抑制的结果，以及干旱胁迫下野生物种固定碳向蔗糖的分配增加的结果等, 1992)。这种可溶性糖的积累可能与渗透调节和干燥耐受性有关等.， 1998)有助于植物的生存。
玉米糖代谢的巨大变化先于可溶性叶蛋白的急剧下降。这些蛋白质通常与应激反应有关，如冷冻、渗透和盐胁迫以及病原体攻击等， 1994，云等.， 1996, Tabaeizadeh 1998和Trudel等, 1998)。因此，玉米的水分响应似乎具有与其他逆境条件相同的特征，这与其他物种的建议一致(Tabaeizadeh 1998)。
叶绿素、类胡萝卜素和光合速率
干旱胁迫诱导了光合机构和叶绿体膜透性的变化。这一事实可能是叶绿素降解和/或合成不足以及类囊体膜完整性降低的结果(Tabaeizadeh 1998)。在目前的研究中，干旱胁迫下叶绿素含量的下降可能是由于叶绿体基质薄片的早期结构损失，其中包含光系统I和大部分叶绿素a， (Loggini et al.1999)。光抑制和光破坏色素可能有助于这种变化et al。, 1993)。此外，干旱胁迫降低了光合机构的保存能力。然而，在我们的研究中发现，干旱胁迫的影响可能遵循与衰老过程相似的过程，严重影响了这些参数，因此可以预期干旱胁迫在叶绿体水平上的剧烈影响(Tabaeizadeh 1998)。此外，这种抑制作用可能与叶绿素降解速率的增加有关(Garty等.， 1992)通过干旱胁迫对叶绿素结合蛋白的影响，导致叶绿素的破坏，这可能有助于这种变化(Abdel Nasser 2000)。此外，叶绿素含量的降低也可能是脂质过氧化的植物毒性后果，并与光化学效率的降低有关。此外，叶绿素的比例a / b对干旱胁迫处理更为敏感，表明Chl一个更容易受到水分胁迫，降解速度比chlb。这可以用叶绿素部分减少的事实来解释一个可以通过转化为叶绿素来解释吗b由二环上的甲基氧化成醛(芳)等, 1998)。在这方面，西斯卡托等.(1997)报告说，减少的Chla / b干旱胁迫对光系统II (LHC II)光收获复合体的直接影响可能是导致玉米植株中叶绿素含量降低的主要原因a / b在衰老过程中观察到的比例(迪恩et al。， 1993)，这表明干旱胁迫处理导致叶绿素合成和积累速率降低一个。
质膜脂质过氧化与H2O2内容。
脂质过氧化已被证明是衰老期间膜退化和解体的原因之一，并与大多数植物的膜紊乱有关(Marengoniet al。a和b).干旱胁迫伴随着丙二醛(MDA)含量的增加。indicatinglipid过氧化反应和氧化应激。与其他环境胁迫一样，干旱胁迫可以产生一种强大的氧化物质，导致脂质过氧化，这表明类囊体膜中的脂肪酸是干旱胁迫损伤的目标。这可以通过激活有毒的O来实现2然后攻击脂肪酸链的分子导致膜损伤增加，玉米叶片中MDA的形成相应增加。因此，干旱胁迫效应可能反映了质膜结构的一些变化，如膜的物理性质的变化，而膜的物理性质的变化反映了代谢过程改变导致的化学成分的变化(Navari-Izzo)等, 1996)。此外，在本研究中，存在H的积累2O2(图4A)，它在暴露于干旱胁迫的植物中充当氧化还原信号分子(Mehdy 1994)。有人认为H2O2作为第二信使的功能，植物细胞暴露于环境压力，如热(Dat)et al。，1998)和病原体(Levineet al .,1994)。尽管如此,H2O2通过容易氧化其巯基来抑制叶绿体含巯基的酶，它诱导一系列涉及过氧化物酶激活的精心安排的反应。因此，植物细胞保持H2O2低或清除有效。
抗氧化防御机制。
在各种非生物胁迫下产生的活性氧对脂质、蛋白质和色素极具破坏性，除非它们被SOD、CAT和APX等抗氧化酶迅速清除(Asada et al.， 1998)，以维持形成的任何活性氧的浓度在相对较低的水平。Shalata和Tal(1998)认为，植物对环境胁迫的抗性可能取决于对ROS产生的抑制或对活性氧的增强抗氧化剂的水平。此外，某些基因型对环境胁迫的较高耐受性与较高的抗氧化酶活性有关。观察到的抗氧化系统的变化可能是非特异性细胞降解过程的结果。然而，另一种可能性是，干旱压力触发了植物细胞中常见的防御途径，就像其他生物或非生物环境压力一样。在fact, electronspin resonance studies have shown that water-stressed plantsdisplayed elevated concentrations and production rates of superoxideradicals (Price and Hendry 1991).
在玉米植株中，已经出现了氧化胁迫的症状，如在干旱胁迫下SOD总活性增加，并保留了大部分抗氧化能力，这可能解释了为什么对照植株的氧化损伤与胁迫植株相比处于初期阶段。本研究表明，干旱胁迫导致APX酶活性升高，且保持在高于对照的水平，这表明该酶活性的升高至少部分归因于底物积累。因此，APX活性的增加可能是对氧化损伤的保护(Tabaeizadeh,1998)。一个n additional function of the increase in APX activity under drought stress could be related to changesin the cell wall properties, potentially important for the stemin order to cope with the stress. Since drought stress causes the formation of reactive oxygen species.
确认
作者感谢沙特国王大学科学研究主任通过编号为RGP-VPP 297的研究小组资助这项工作。
参考文献
- 铜处理对大豆生长、光合活性和抗氧化效率的影响(大豆l .)树叶。J.联合阿拉伯生物学。科学通报，7:103-120(2000)。
- 抗坏血酸过氧化物酶和单脱氢抗坏血酸还原酶的作用2O2在植物中食腐。在杨建军，主编，氧化应激与抗氧化防御的分子生物学。冷泉港实验室出版社，纽约冷泉港，第715-735页(1997)。
- Asada, K, Endo, T.， Mano, J.和Miyake C. .光胁迫下松弛和保护的分子机制。见K. Sato, N. Murata主编，光合生物的胁迫响应。爱思唯尔科学出版，阿姆斯特丹，第37-52页(1998)。
- 陈仁德，于立新，葛瑞尔，陈爱芳，Cheriti H.， Tabaeizadeh .。渗透胁迫和脱落酸诱导的酸性几丁质酶基因的分离Lycopersicon chilensis。中国生物医学工程学报，24(3):391 - 391(1994)。
- Ciscato, M.， Valcke R.， Van Loven K.， Clijsters H.， and Navari-Izzo F.(1997)。体内铜处理对两种植物光合器官的影响小麦属植物硬质不同胁迫敏感性的品种。杂志。工厂。[j] .中文信息学报。
- Dat, J.， Vandenabeele, S.， Vranova, E.， Van Montagu, M.， inzise, D.和Van Breusegem, F.。植物逆境响应中活性氧的双重作用。细胞分子生命科学。[j] .中国科学:地球科学。
- 迪安，M. A.， Letner, C. A.和Eley, J. H.秋叶衰老对油菜叶绿素A:b比和呼吸酶的影响美洲山杨。公牛。托里植物俱乐部。(1993)。
- 方志，Bouwkamp J. C.， Solomos T.。非黄变突变体和野生型叶片衰老过程中叶绿素酶活性和叶绿素降解菜豆李建军。植物生态学报，49(1):391 - 391(1998)。
- 傅春华，王晓明，王晓明，等。转基因植物对氧自由基的防御机制研究。植物，细胞环境。科学通报，17(1994):507-523。
- 陈志强，陈志强，陈志强，等。低pH重金属和阴离子对地衣叶绿素降解的影响树花属duriaei(德)。Bagl。环绕。擅长。植物学。科学通报，32:229-241(1992)。
- 黑尔，P. D.，克雷斯，W. A.和斯塔登，J.。植物，细胞与环境，21,535-553(1998)。
- 何志强，李志强，李志强，等。中光胁迫下植物脂质过氧化和超氧化物歧化酶活性的研究进展。足底。科学通报，18(1):1 -2。
- Inskeep, W. P.和Bloom, P. R.叶绿素a和b在N、N-二甲基甲酰胺和80%丙酮中的消光系数。植物杂志。科学通报，18(5):387 - 387(1985)。
- Irigoyen, J.， Emerich, D.和Sanchez-Diaz, M.干旱胁迫诱导的结瘤苜蓿脯氨酸和总可溶性糖浓度的变化(紫花苜蓿)植物。杂志。工厂。， 84: 55-60(1992)。
- 张建军，张建军，张建军，等。重金属对水生被子植物衰老的影响。新植醇。[j] .中国科学:地球科学。
- 莱文，A，坦哈肯，R，迪克森，R和兰姆，C. H2O2氧化爆发协调了植物的超敏抗病性反应。细胞，79:583-593(1994)。
- Loggini, B.， Andrea, Scartazza, A.， Enrico, Brugnoli, E.和Navari-Izzo, F.两种小麦品种在干旱条件下的抗氧化防御系统、色素组成和光合效率。植物杂志。科学通报，19(1):1- 3。
- 幸运，H.过氧化氢酶。In: Bergmeyer HV。编辑器。酶分析方法。纽约。学术出版社。第885-888页(1965)。
- 马兰戈尼，A. G.，杜普莱西，P. M.， Lencki, R. W.和Yada, R. Y.茄属植物tuberosum。Biophys。化学。科学通报，26(1):1 - 4(1996)。
- 马兰戈尼，a.g.，帕尔马，T.和斯坦利，D. W.采后生理膜效应。Postharv。医学杂志。生物技术。中文信息学报，7:193-217(1996)。
- 植物防御病原菌的活性氧。植物杂志。科学通报，28(1):1 -4。
- 氧化应激、抗氧化剂和应激耐受性。植物科学动态。科学通报，9:405-410(2002)。
- Navari-Izzo, F, Quartacci, M.F.和shgherri, C.M.L.(1996)。超氧化物的产生与脱水和再水合作用有关。Biochim。Soc。译24:447-451
- 抗坏血酸和谷胱甘肽:控制活性氧。为基础。Rev. Plant Physiol植物分子生物学科学通报，49:249-279(1998)。
- Price, A.和Hendry, G.A.铁催化氧自由基形成及其对9种原生禾草和3种谷物干旱危害的可能贡献。植物细胞与环境。14:477-484(1991)。
- Quick, w.p.， Chaves, m.m.， Wendler, R.， David, D.， Rodrigues, m.l.， Passarinho, j.a.， Pereira, j.s.， Adcock, m.d.， Leegood, R.C.和Stitt, M.田间条件下干旱胁迫对光合作用的影响。植物、细胞和环境。， 15, 25-35(1992)。
- Schwanz, P.， Picon, C.， Vivin, P.， Dreyer, E.， Guehl, J.和Polle, A.干旱胁迫下植物抗氧化系统的响应Pendunculate橡木和Maritim松由升高的CO调节2。植物杂志。科学通报，11:393-402(1996)。
- 盐胁迫对栽培番茄及其野生耐盐亲缘种叶片脂质过氧化和抗氧化剂的影响Lycopersicon pennellii。杂志。工厂。[j] .科学通报，2004(5):387 - 387。
- Stewart, r.r.c.和Bewley, J. D.脂质过氧化与大豆轴加速老化有关。植物杂志。[j] .中国科学:地球科学。
- 植物细胞对干旱的响应。国际米兰。细胞学杂志，182:193-247(1998)。
- Takeda, T.， Yokota, A.和Shigeoka, S.藻类光合作用对过氧化氢的抗性。植物细胞物理。科学通报，36(6):1089-1095(1995)。
- Trudel, J, Grenier, J, Potvin, C.和Asselin, A.几种thumatin样蛋白结合ß-1,3-葡聚糖。植物杂志。科学通报，18(1):1 - 3(1998)。
- wwardlaw, I. F.和Willenbrink, J.小麦抽穗至籽粒成熟期间茎秆碳水化合物的储存和动员:与蔗糖合酶和蔗糖-磷酸合酶的关系。欧斯特。J.植物生理学。， 21: 255-271(1994)。
- Yun, D'Urzo, M. P.， Abad, L.， Takeda, S.， Salzman, R.， Chen, Z.， Lee, H.， Hasegawa, P. M.和Bressan, R. A.新的体诱导抗真菌几丁质酶和活性重组异构体的细菌表达。植物杂志。科学通报，26(1):1 - 2。
